数值模拟仿真试验在建筑结构教学改革中的应用

【摘要】针对高职建筑结构课程实验教学的需要，研究数值模拟仿真试验教学手段在课程教学改革过程中应用的优势和实现途径，并通过仿真技术在建筑结构课程和大学生结构竞赛中的应用实例，验证数值模拟仿真试验教学手段的先进行和优越性。

【关键词】建筑结构教学改革仿真试验

【中图分类号】 G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2014）05C-0141-02

建筑结构是高职土木工程专业一门十分重要的理论性较强的主干专业课，本课程既是对前续的力学、建筑材料等课程的继承和发展；又对土建类后续课程学习起重要的支撑作用，学好本课程可以实现课程体系的连贯性和完整性。课程学习过程中结构的基本原理和公式的分析主要以试验结论为依据，试验贯穿整个教学过程。在缺乏试验条件，教学课时精简，实践环节被空前重视的条件下，借助先进科研手段带动教学水平的提高，将数值模拟仿真技术引入理论教学中，构建了理论与试验情景教学相结合的平台，使构件和结构的受力特点和破坏形态在课堂上生动地展现出来，可以培养学生创新能力和综合实践能力，符合课程改革长远发展的需要，对土建类专业建设具有典型的示范作用。

一、数值模拟仿真试验教学的优势

（一）仿真教学有利于提高课堂教学质量

由于现阶段高职院校招生规模急剧膨胀，大多数高职院校面临试验教学资源严重不足的困境，现有的试验条件不能满足教学任务的需要，严重影响了教学质量。建筑结构课程教学公式推导和理论的建立是以试验为基础，传统的理论教学方式试验现象的描述枯燥、繁琐和难于理解，数值模拟仿真教学实现把“虚拟的试验室”搬到课堂上，在理论教学的同时穿插试验教学。仿真教学试验可以输出结构真实的三维模型、仿真动画和结果数据，通过对试验结果进行分析来阐述基本概念、基本原理。数值模拟可以把构件受力与变形以及破坏的全过程直观展现给学生，激发主动思考和学习的积极性与参与性，使学生能在短时间内掌握大量的结构知识，引导学生依据获得的知识去分析结构原理、施工意图和构造规定，实现“循环式”教、学、做一体化教学。

（二）仿真教学有利于培养学生的创新能力

传统的实验教学受实验设备、实验环境的限制，只能做一些简单的不可重复的演示试验，学生不理解实验原理。数值模拟仿真实验具有强大的建模和数据处理功能，学生可以根据课程学习需要和个人兴趣，进行各种实验数值模拟仿真，并且可以不断加载条件、设计参数和模型方案等进行多次反复优化设计，并通过数据结果分析，让学生能够掌握和熟练应用仿真教学软件，为学生专业课程学习和进一步开展创新活动奠定良好的基础。仿真实践切实增强了学生运用结构知识独立分析、解决实际问题的能力，培养了学生实践能力和创新能力。

（三）仿真教学有利于提高教师素质

基于多媒体的仿真教学，对教师的理论基础、实践能力和科研能力等综合素质提出了更高的要求。仿真教学内容充分体现学科的交叉和前沿，在教学过程中及时融入了本学科国内外最新研究成果。要求教师不断学习和钻研，熟练掌握仿真软件使用和开发，在相关课程建设及承担工程项目实践工作中不断锤炼，形成一支学术水平高，教学与科研、教学与实践结合的师资队伍，为学科发展注入新生力量，为以后专业基础课程与专业课的仿真教学奠定良好的基础。

二、数值模拟仿真试验教学实现途径

（一）成立校内仿真教学团队，以先进技术为科研载体带动教学

数值模拟仿真是涉及多学科、多专业的综合性高新技术，软件现有的功能模块不能满足实际试验分析的全部需要，软件的应用和开发较为困难，现阶段无法在各高校推广应用。因此，教学经验丰富和科研实力雄厚的高素质师资队伍建设是实现试验教学的重要保障。青年教师队伍培训和仿真软件开发需要科研项目带动及经费支持，教师以承担科研项目积累的知识和经验为仿真软件平台的开发成功奠定了坚实的理论基础，科研教学紧密结合，及时将团队的科研成果融入实验教学，经过长期不断的探索和实践，形成自主研发的应用于教学实际的仿真实践教学平台，形成在土木专业建模仿真研究领域具有明显的教学、科研优势的专业化的试验教师资源，确保仿真试验教学水平。

（二）通过校内仿真实训项目和课程设计进行多层次实验教学

在高职实践教学环节中，开设选修的课程设计（钢筋混凝土单向板肋梁楼盖设计）仿真试验教学，在教师的指导下，要求学生按课程设计任务书的要求，利用仿真软件完成楼盖结构布置、建模仿真、计算结果分析并完成设计计算书，通过模拟实际工程的仿真教学，使学生在实际工程应用中深入理解所学理论知识，并通过软件操作，把理论灵活应用到工程实践，培养学生的实际应用能力和解决实际问题的能力，教学效果显著。

（三）建立建筑结构课程建模仿真实验室，开发实验仿真教学平台

根据学校自身的教学设施与教师素质，根据专业特点，选择合适的仿真软件，引进或合作开发一些仿真平台并建立相应的仿真实验室。借助仿真试验平台能够进行建筑结构基本构件、课程设计和课程实训的建模仿真实验，能够进行从构件到结构多层次的实验教学。如钢筋混凝土材料力学性能数值模拟试验、单筋矩形截面梁正截面和斜截面破坏等试验仿真平台，可供学生和教师根据需要进行数值模拟试验。成立专业大学生协会（仿真实验设计），鼓励引导部分优秀学生进入仿真科研实验室进行自主科研，协助并参与课程教学团队教师的课题研究。

三、数值模拟仿真试验教学应用实例

实例一：

在讲解钢筋的应力—应变关系时，教材应力与应变的曲线通过文字描述进行讲解，理论学习空洞、乏味，难以理解，如果把钢材单轴拉伸试验再现到课堂上，可以动画显示整个受力和变形过程，并可以同时输出应力—应变曲线关系，学生可以理解钢材的基本力学性能，开阔视野，激发对本课程的学习热情。本文单轴拉伸试样数值仿真模型（见图1），其应力—应变曲线的数值结果（如图2）。

图1钢材单轴拉伸三维模型

图2钢筋的应力—应变关系

实例二：

我院学生参加广西第四届大学生结构设计竞赛，本次竞赛要求制作钢筋混凝土肋梁楼盖模板支撑体系的模型，由于空间结构体系受力复杂，很难准确估计每个杆件的真实受力状态，使得学生在进行模型方案设计时只能根据经验设计，然后通过多次模型制作反复试验，验证方案的可靠性，但由于模型制作时间有限，要完成多种方案的比选是不可能的。借助数值模拟仿真技术，可以实现在短时间内方案的优化设计。本次比赛我院指导教师鼓励学生使用仿真软件进行数值模拟，学生通过仿真软件近似模拟了模板支撑体系静力荷载作用下的受力和变形，分析出模型主要构件受力和变形特点（如图3），在此基础上进行截面尺寸合理设计和结构体系杆件简化，最终设计出了具有较高载重比的优化模型。仿真实践切实增强了学生运用结构知识独立分析、解决实际问题的能力。

图3模板支撑体系内力分析模型（单位：Mpa）

结合我院建筑结构的教学实际，将实验仿真技术引入课程教学的全过程，将传统理论教学环节与数值模拟仿真试验教学情境相结合，教学方法新颖独特，培养了学生独立解决问题的能力和创新精神。

【参考文献】

［1］王常明，王清，范建华，等. 计算机仿真在土力学实验教学中的应用［J］. 高等建筑教育，2005，14（4）

［2］邢敏，黄岚. 计算机模拟仿真教学的研究与实践［J］. 现代教育科学，2007（1）

［3］杨勇，郭子雄. 数值模拟试验在土木工程专业课程教学中的应用［J］. 高等建筑教育，2005（3）

［4］ 胡建华，周科平，古德生，等. 采矿专业课程数值试验教学的构思与创新［J］. 理工高教研究，2007，6（26）

【基金项目】广西高等教育教学改革工程立项项目（2012JGA348）

【作者简介】胡桂娟（1973-），女，博士，广西建设职业技术学院副教授，研究方向：结构破坏分析与计算机模拟。

（责编丁梦）